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Mecânica relativística Da Wikipédia, a enciclopédia livre Mais informações: Massa em relatividade especial e Conservação de energia Na física, a mecânica relativística refere-se à mecânica compatível com a relatividade especial (SR) e a relatividade geral (GR). Ele fornece uma descrição mecânica não quântica de um sistema de partículas, ou de um fluido, nos casos em que as velocidades dos objetos em movimento são comparáveis à velocidade da luz ( c ) . Como resultado, a mecânica clássica é estendida corretamente a partículas que viajam em altas velocidades e energias e fornece uma inclusão consistente do eletromagnetismo com a mecânica das partículas. Isso não era possível na relatividade galileana, onde era permitido que partículas e luz viajassem a qualquer velocidade, inclusive mais rápido que a luz,erroneamente. Os fundamentos da mecânica relativística são os postulados da relatividade especial e da relatividade geral. A unificação do SR com a mecânica quântica é a mecânica quântica relativística , enquanto as tentativas para o GR são a gravidade quântica , um problema não resolvido na física . Como na mecânica clássica, o assunto pode ser dividido em " cinemática "; a descrição do movimento especificando posições , velocidades e acelerações e " dinâmica "; uma descrição completa, considerando energias , momentos e momentos angulares e suas leis de conservação e as forças atuando sobre as partículas ou exercida por partículas. Existe, porém, uma sutileza; o que parece estar "em movimento" e o que está "em repouso" - que é denominado por " estática ". Embora algumas definições e conceitos da mecânica clássica sejam transferidos para o SR, como a força como derivada temporal do momento ( segunda lei de Newton ), o trabalho realizado por uma partícula como a linha integral da força exercida na partícula ao longo de um caminho, e potenciar como derivada temporal do trabalho realizado, há várias modificações significativas nas demais definições e fórmulas. O SR afirma que o movimento é relativo e as leis da física são as mesmas para todos os experimentadores, independentemente de seus referenciais inerciais . Além de modificar noções de espaço e tempo , o SR obriga a reconsiderar os conceitos de massa, momento e energia, todos eles importantes construções na mecânica newtoniana . O SR mostra que esses conceitos são todos aspectos diferentes da mesma quantidade física, da mesma maneira que mostra espaço e tempo a serem inter- elacionados.Conseqüentemente, outra modificação é o conceito de centro de massa de um sistema, que é fácil de definir na mecânica clássica, mas muito menos óbvio na relatividade - veja detalhes no centro de massa relativista . As equações tornam-se mais complicadas no formalismo de cálculo vetorial tridimensional mais familiar , devido à não - linearidade no fator de Lorentz , que explica com precisão a dependência da velocidade relativística e o limite de velocidade de todas as partículas e campos. No entanto, elas têm uma forma simples e elegante em quatro -dimensional espaço-tempo , que inclui plana espaço Minkowski (SR) e o espaço-tempo curvo (GR), porque vetores tridimensionais derivados de espaço e escalares derivada de tempos pode ser recolhida em quatro vetores , ou tensores quadridimensionais. No entanto, o tensor de momento angular de seis componentes às vezes é chamado de bivetor porque, no ponto de vista 3D, são dois vetores (um deles, o momento angular convencional, sendo um vetor axial ). Conteúdo 1Cinemática relativística 2Dinâmica relativística o 2.1Energia e momento relativísticos o 2.2Massa em repouso e massa relativística o 2.3Equivalência massa-energia o 2.4A massa dos sistemas e a conservação da massa invariável o 2.5Sistemas fechados (isolados) 2.5.1Reações químicas e nucleares 2.5.2Quadro do centro do momento o 2.6Momento angular o 2.7Força o 2,8Torque o 2.9Energia cinética o 2.10Limite newtoniano 3Veja também 4Referências o 4.1Notas o 4.2Leitura adicional Cinemática relativista Artigo principal: Quatro velocidades A quatro velocidades relativísticas, ou seja, o vetor resultante de quatro vetores que representa a velocidade na relatividade, é definido da seguinte forma: 𝑈 = ௗ ௗ = ( ௗ௧ ௗ , ௗ ௗ ) Acima, 𝑟 é o tempo adequado do caminho no espaço - tempo, chamado de linha do mundo, seguido pela velocidade do objeto e 𝑋 = (𝑐𝑡, 𝑥) é a quarta posição ; as coordenadas de um evento.Devido à dilatação do tempo, o tempo apropriado é o tempo entre dois eventos ,em um quadro de referência em que ocorrem no mesmo local. O tempo adequado está relacionado ao tempo de coordenadas t dado por: 𝑑𝑟 𝑑𝑡 = 1 𝛾(𝑉) Onde 𝛾(𝒗)é o fator de Lorentz: 𝛾(𝑉) = ଵ ඥଵି𝒗.𝒗/మ ↔ 𝛾(𝑉) = ଵ ඥଵି(𝒗.)మ (qualquer versão pode ser citada), da seguinte forma: 𝑈 = 𝛾(𝑉)(𝑐, 𝒗) Os três primeiros termos, com exceção do fator de 𝛾(𝒗) , é a velocidade vista pelo observador em seu próprio quadro de referência. O 𝛾(𝒗)é determinado pela velocidade 𝒗 entre o quadro de referência do observador e o quadro do objeto, que é o quadro no qual seu tempo apropriado é medido. Essa quantidade é invariante na transformação de Lorentz; portanto, para verificar o que um observador em um referencial diferente vê, basta multiplicar o vetor de velocidade quatro pela matriz de transformação de Lorentz entre os dois referenciais. Dinâmica relativística Energia relativista e impulso Existem algumas maneiras (equivalentes) de definir momento e energia no Sistema Relativista(SR).Um método usa leis de conservação.Para que essas leis permaneçam válidas no SR, elas devem ser verdadeiras em todos os referenciais possíveis. No entanto, se alguém faz algumas experiências simples de pensamento usando as definições newtonianas de momento e energia, vê-se que essas quantidades não são conservadas no SR. Pode-se resgatar a idéia de conservação fazendo algumas pequenas modificações nas definições para explicar as velocidades relativísticas . São essas novas definições que são tomadas como corretas para o momento e a energia no SR. O momento quatro de um objeto é direto, idêntico na forma ao momento clássico, mas substituindo 3 vetores por 4 vetores: 𝑷 = 𝑚𝑼 = ( 𝐸 𝑐 , 𝒑) A energia e o momento de um objeto com massa invariante m0 (também chamada de massa em repouso), movendo-se com a velocidade v em relação a um determinado quadro de referência, são dados respectivamente por: 𝑬 = 𝛾(𝒗)𝑚 𝑐ଶ 𝑷 = 𝛾(𝒗)𝑚 𝒗ଶ O fator de γ (v) deriva da definição das quatro velocidades descritas acima. O fator γ tem uma maneira alternativa de ser explicada, feita na próxima seção. A energia cinética, K , é definida como 𝒌 = (𝛾 − 1)𝑚𝑐ଶ = 𝐸 − 𝑚𝑐ଶ E a velocidade em função da energia cinética é dada por 𝑣 = 𝑐ඥ𝑘(𝑘 + 2𝑚𝑐ଶ) 𝑘 + 𝑚𝑐ଶ = 𝑐ඥ(𝐸 − 𝑚𝑐ଶ) + (𝐸 ∓ 𝑐ଶ) = 𝑝𝑐ଶ 𝐸 Massa de repouso e massa relativista A expressão 𝑚 = 𝛾(𝒗)𝑚 é frequentemente chamada de massa relativística do objeto no quadro de referência fornecido. [1] Isso faz com que a relação relativística entre a velocidade espacial e o momento espacial pareça idêntica. No entanto, isso pode ser enganador, uma vez que é não apropriado na relatividade especial em todas as circunstâncias. Por exemplo, a energia cinética e a força na relatividade especial não podem ser escritas exatamente como seus análogos clássicos apenas substituindo a massa pela massa relativista. Além disso, nas transformações de Lorentz, essa massa relativística não é invariável, enquanto a massa restante é. Por esse motivo, muitas pessoas acham mais fácil usar a massa restante (introduzindo γ através do tempo de 4 coordenadas) e descartando o conceito de massarelativística. Lev B. Okun sugeriu que "essa terminologia...não tem justificativa racional hoje" e não deve mais ser ensinada. [2]Outros físicos, incluindo Wolfgang Rindler e TR Sandin, argumentaram que a massa relativista é um conceito útil e há poucas razões para parar de usá-lo. [3] Veja a massa na relatividade especial para obter mais informações sobre este debate.Alguns autores usam m para massa relativística e m 0 para massa em repouso, [4] outros simplesmente usam m para massa em repouso. Este artigo usa a convenção anterior para maior clareza. A energia e o momento de um objeto com massa invariante m 0 são relacionados pelas fórmulas 𝐸ଶ − (𝑝𝑐)ଶ = (𝑚𝑐ଶ)ଶ (𝒑𝑐)ଶ = 𝐸𝒗 O primeiro é referido como a relação energia-momento relativística. Pode-se derivar considerando que ௩మ మ pode ser escrito como మ ఊమబమమ onde o denominador pode ser escrito como ா మ మ . Agora, gama pode ser substituída na expressão de energia. Enquanto a energia E e o momento p dependem do quadro de referência em que são medidos, a quantidade E 2 - ( pc )2 é invariante e surge como - c 2 vezes a magnitude ao quadrado do vetor de 4 momentos que é -( m 0 c ) 2 . A massa invariável de um sistema 𝑚 ௧௧ = ටாమି(మ మ మ é diferente da soma das massas restantes das partículas das quais é composta devido à energia cinética e energia de ligação. A massa em repouso não é uma quantidade conservada na relatividade especial, diferentemente da situação na física newtoniana. No entanto, mesmo que um objeto esteja mudando internamente, desde que não troque energia com o ambiente, sua massa restante não será alterada e poderá ser calculada com o mesmo resultado em qualquer quadro de referência. Uma partícula cuja massa de repouso é zero é chamada “sem massa”. Pensa-se que fótons e gravitons não têm massa; e neutrinos são “quase isso”. Equivalência massa-energia [ Artigo principal: Equivalência massa-energia A equação relativística energia-momento é válida para todas as partículas, mesmo para partículas sem massa, para as quais m 0 = 0. Nesse caso: 𝐸ଶ − 𝑝. 𝑝𝑐ଶ = (𝑚𝑐ଶ)ଶ Quando substituído em E.v = c 2 p , isso da v = c : partículas sem massa (como fótons ) sempre viajam na velocidade da luz. Observe que a massa restante de um sistema composto geralmente será ligeiramente diferente da soma das massas restantes de suas partes, pois, em sua estrutura de descanso, sua energia cinética aumentará sua massa e sua energia de ligação (negativa) diminuirá sua massa. Em particular, uma hipotética "caixa de luz" teria massa de repouso, mesmo sendo feita de partículas que não são removidas desde o momento em que sua fonte desaparecesse. Observando a fórmula acima para massa invariável de um sistema, percebe-se que, quando um único objeto maciço está em repouso ( v = 0 , p = 0 ), existe uma massa diferente de zero restante: m 0 = E / c 2. A energia correspondente, que também é a energia total quando uma única partícula está em repouso, é chamada de "energia em repouso". Nos sistemas de partículas vistas de uma estrutura inercial em movimento, a energia total aumenta e o momento também. No entanto, para partículas únicas, a massa restante permanece constante e, para sistemas de partículas, a massa invariante permanece constante, porque em ambos os casos, a energia e o momento aumentam subtraem um do outro e cancelam. Assim, a massa invariável dos sistemas de partículas é uma constante calculada para todos os observadores, assim como a massa restante de partículas únicas. A massa de sistemas e conservação de massa invariável Veja também: Centro de massa (relativístico) Para sistemas de partículas, a equação energia-momento requer a soma dos vetores de momento das partículas: 𝐸ଶ − 𝑝. 𝑝𝑐ଶ = (𝑚𝑐ଶ)ଶ A estrutura inercial na qual o momento de todas as partículas é igual a zero é chamada de centro da estrutura do momento . Nesse quadro especial, a equação energia-momento relativística tem p = 0 e, portanto, fornece a massa invariante do sistema como meramente a energia total de todas as partes do sistema, dividida por c 2 . 𝑚,௦௦௧ = 𝐸/𝑐2 Essa é a massa invariável de qualquer sistema que é medido em uma estrutura em que ele possui zero momento total, como uma garrafa de gás quente em uma balança. Nesse sistema, a massa que a balança pesa é a massa invariável e depende da energia total do sistema. Portanto, é mais do que a soma das massas restantes das moléculas, mas também inclui todas as energias totais no sistema. Como energia e momento, a massa invariável de sistemas isolados não pode ser alterada enquanto o sistema permanecer totalmente fechado (nenhuma massa ou energia é permitida entrar ou sair), porque a energia relativística total do sistema permanece constante enquanto nada puder entrar ou sair. Um aumento na energia de um sistema desse tipo causado pela conversão do sistema em uma estrutura inercial que não é o centro da estrutura de momento, causa um aumento de energia e momento sem um aumento na massa invariante. E = m 0 c 2 , no entanto, aplica-se apenas a sistemas isolados em sua estrutura de centro de momento em que o momento é igual a zero. Tomando essa fórmula pelo valor de face, vemos que na relatividade, massa é simplesmente energia com outro nome (e medida em unidades diferentes). Em 1927, Einstein comentou sobre a relatividade especial: "Segundo essa teoria, a massa não é uma magnitude inalterável, mas uma magnitude dependente (e, de fato, idêntica à) da quantidade de energia". [5] Sistemas fechados (isolados) Em um sistema "totalmente fechado" (isto é, sistema isolado), a energia total, o momento total e, portanto, a massa invariante total são conservados. A fórmula de Einstein para mudança de massa se traduz em sua mais simples forma Δ E = Δ mc 2, no entanto, apenas em sistemas não fechados nos quais a energia é permitida escapar (por exemplo, como calor e luz) e, portanto, a massa invariante é reduzida. A equação de Einstein mostra que tais sistemas devem perder massa, de acordo com a fórmula acima, proporcionalmente à energia que perdem para o ambiente. Por outro lado, se alguém pode medir as diferenças de massa entre um sistema antes de sofrer uma reação que libera calor e luz e o sistema após a reação quando o calor e a luz escapam, pode-se estimar a quantidade de energia que escapa ao sistema. Química e reações nucleares Nas reações nucleares e químicas, essa energia representa a diferença nas energias de ligação dos elétrons nos átomos (para a química) ou entre os núcleons nos núcleos (nas reações atômicas). Nos dois casos, a diferença de massa entre os reagentes e os produtos (resfriados) mede a massa de calor e luz que escapará da reação e, assim, (usando a equação) fornece a energia equivalente de calor e luz que pode ser emitida se a reação prosseguir. Na química, as diferenças de massa associadas à energia emitida com grandeza de cerca de 10 9 da massa molecular. [6] No entanto, nas reações nucleares, as energias são tão grandes que estão associadas a diferenças de massa, que podem ser estimadas com antecedência, se os produtos e reagentes tiverem sido pesados (os átomos podem ser pesados indiretamente usando massas atômicas, que são sempre o mesmo para cada nuclídeo ). Assim, a fórmula de Einstein se torna importante quando se mede as massas de diferentes núcleos atômicos. Observando a diferença de massas, pode-se prever quais núcleos armazenaram energia que pode ser liberada por certas reações nucleares, fornecendo informações importantes que foram úteis no desenvolvimento da energia nuclear e, consequentemente, da bomba nuclear . Historicamente, por exemplo, Lise Meitner foi capaz de usar as diferenças de massa nos núcleos para estimar que havia energia suficiente disponívelpara tornar a fissão nuclear um processo favorável. As implicações dessa forma especial da fórmula de Einstein a tornaram uma das equações mais famosas de toda a ciência. Centro de momento do quadro A equação E = m 0 c 2 aplica-se apenas a sistemas isolados no centro de momento do quadro . Foi popularmente entendido mal como significando que a massa pode ser convertida em energia, após o que a massa desaparece. No entanto, explicações populares da equação aplicada a sistemas que incluem sistemas abertos (não isolados) para os quais é permitido o calor e a luz escaparem, quando de outra forma teriam contribuído para a massa ( massa invariável ) do sistema. Historicamente, a confusão sobre a massa ser "convertida" em energia tem sido auxiliada pela confusão entre massa e "matéria", onde a matéria é definida como partículas de férmion. Nessa definição, radiação eletromagnética e energia cinética (ou calor) não são consideradas "matéria". Em algumas situações, a matéria pode realmente ser convertida em formas de energia não-matéria ,mas em todas essas situações, as formas de energia matéria e não-matéria ainda mantêm sua massa original. Para sistemas isolados (fechados a todas as trocas de massa e energia), a massa nunca desaparece no centro do quadro de momento, porque a energia não pode desaparecer. Em vez disso, essa equação, no contexto, significa apenas que quando qualquer energia é adicionada ou escapa de um sistema no quadro do centro de momento, o sistema será medido como tendo ganhado ou perdido massa, proporcionalmente à energia adicionada ou removida. Assim, em teoria, se uma bomba atômica fosse colocada em uma caixa forte o suficiente para conter sua explosão e detonada em uma escala, a massa desse sistema fechado não mudaria e a escala não se moveria. Somente quando uma "janela" transparente era aberta na caixa super-forte cheia de plasma, e a luz e o calor podiam escapar em um feixe e os componentes da bomba esfriavam, o sistema perdia a massa associada à energia da explosão. Em uma bomba de 21 quilotons, por exemplo, cerca de um grama de luz e calor é criado. Se fosse permitido que esse calor e luz escapassem, os restos da bomba perderiam um grama de massa quando esfriasse. Nesse experimento mental, a luz e o calor transportam o grama de massa e, portanto, depositam esse grama de massa nos objetos que os absorvem. [7] O momento angular Artigo principal: Momento angular relativístico Na mecânica relativística, o momento de massa variável no tempo 𝑵 = 𝑚(𝒙 − 𝑡𝒗) e momento orbital 3-angular 𝑳 = 𝒙 × 𝒑 de uma partícula em forma de ponto são combinados em um bivetor quadridimensional em termos da 4- posição X e do 4-momento P da partícula: [8] [9] 𝑴 = 𝑿 ∧ 𝐩 Onde ∧ indica o produto externo. Esse tensor é aditivo: o momento angular total de um sistema é a soma dos tensores de momento angular de cada constituinte do sistema. Assim, para um conjunto de partículas discretas soma-se os tensores de momento angular sobre as partículas ou integra-se a densidade do momento angular ao longo de uma distribuição de massa contínua. Cada um dos seis componentes forma uma quantidade conservada quando agregado aos componentes correspondentes para outros objetos e campos. Força Na relatividade especial, a segunda lei de Newton não se sustenta na forma F = m.a , mas ele faz se ela é expressa como 𝐹 = 𝑑𝑃 𝑑𝑡 onde p = γ ( v ) m 0 v é o momento definido acima e m 0 é a massa invariante . Assim, a força é dada por 𝐹 = γ(𝒗)ଷma|| + γ(𝒗)ma┴ Consequentemente, em alguns textos antigos, γ(v)3 m 0 é chamado de massa longitudinal e γ ( v ) m 0 é chamado de massa transversal , numericamente o mesmo que a massa relativista . Veja a massa na relatividade especial . Se alguém inverter isso para calcular a aceleração da força, obtém-se 𝑎 = 1 γ(𝒗)m A força descrita nesta seção é a força tridimensional clássica que não é um vetor de quatro componentes . Essa força tridimensional é o conceito apropriado de força, pois é a força que obedece à terceira lei do movimento de Newton . Não deve ser confundida com a chamada força quádrupla, que é meramente a força tridimensional na estrutura de movimento do objeto transformado como se fosse um vetor de quatro vetores. No entanto, a densidade da força tridimensional (momento linear transferido por unidade de quatro volumes) é um vetor de quatro componentes (densidade de peso +1) quando combinado com o negativo da densidade de potência transferida. Torque O torque que atua sobre uma partícula do tipo ponto é definido como a derivada do tensor de momento angular dado acima em relação ao tempo adequado: [10] [11] 𝜏 = 𝑑𝑀 𝑑𝑟 = 𝑋 ∧ 𝐹 ou em componentes tensores: 𝑟ఈఉ = 𝑋ఈ𝐹ఉ − 𝑋ఉ𝐹ఈ onde F é a força que atua sobre o 4d partícula no evento X. Assim como no momento angular, o torque é aditivo, portanto, para um objeto estendido, soma-se ou integra-se sobre a distribuição de massa. Energia cinética O teorema da energia do trabalho diz [12] que a mudança na energia cinética é igual ao trabalho realizado no corpo. Em relatividade especial: 𝐾 = 𝑊 = [𝛾(𝑣) − 1]𝑚𝑐ଶ Se no estado inicial o corpo estava em repouso, então v 0 = 0 e γ0(v0) = 1, e no estado final ele possui velocidade v 1 = v , configurando γ 1(v 1) = γ (v), a energia cinética é então um resultado que pode ser obtido diretamente subtraindo a energia restante m 0 c 2 da energia relativística total γ(v)m 0 c 2 . Limite newtoniano O fator de Lorentz γ ( v ) pode ser expandido para uma série de Taylor ou binomial para ( v / c ) 2 <1, obtendo: 𝛾 = ଵ ටଵି𝒗. 𝒗మ = ∑ ቀ௩ ቁ ଶ ஶ ୀ ∏ ቀ ଶିଵ ଶ ቁୀଵ = 1 + ଵ ଶ ቀ௩ ቁ ଶ + ଷ ଼ ቀ௩ ቁ ସ + ହ ଵ ቀ௩ ቁ + ... e consequentemente 𝐸 − 𝑚𝑐ଶ = 1 2 𝑚(𝑣) 2 + 38 ൭ 𝑚𝑣4 𝑐2 ൱ + 516 ൭ 𝑚𝑣6 𝑐4 ൱ + … ; 𝑝 = 𝑚 𝑣 + 1 2 𝑚(𝑣)2 𝑐ଶ + 38 ൭ 𝑚𝑣4 𝑐4 ൱ + 516 ൭ 𝑚𝑣6 𝑐6 ൱ + ⋯. Para velocidades muito menores que as da luz, pode-se negligenciar os termos com c 2 e superiores no denominador. Essas fórmulas reduzem-se então às definições padrão de energia cinética newtoniana e momento. É assim que deve ser, pois a relatividade especial deve concordar com a mecânica newtoniana em baixas velocidades. Veja também Introdução à relatividade especial Paradoxo gêmeo Equações relativísticas Condução de calor relativista Eletromagnetismo clássico e relatividade especial Sistema relativístico (matemática) Mecânica Lagrangiana Relativística Referências Notas ^ Philip Gibbs, Jim Carr e Don Koks (2008). "O que é massa relativista?" . Perguntas frequentes sobre a Usenet Physics . Página visitada em 2008-09-19 .Observe que em 2008 o último editor, Don Koks, reescreveu uma parte significativa da página, mudando-a de uma visão extremamente desprezível da utilidade da massa relativista para uma que dificilmente a questiona. A versão anterior era: Philip Gibbs e Jim Carr (1998). "A massa muda com a velocidade?" . Perguntas frequentes sobre a Usenet Physics . Arquivado a partir do original em 30/06/2007. 1. ^ Lev B. Okun (julho de 1989). "O conceito de massa" (assinatura necessária) . 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